Поршень двигателя. Устройство и назначение
В статье:
- Функциональное назначение
- Требования к конструкции и материалам
- Устройство
- Днище
- Уплотняющая часть
- Направляющая часть
- Охлаждение
- Поршневые кольца
Эта деталь не настолько примитивна, как может показаться на первый взгляд. Было бы большой ошибкой рассматривать его как простой толкатель.
Функциональное назначение
Поршень размещается в цилиндре, где и происходят его возвратно-поступательные движения.
В ходе продвижения в сторону верхней мертвой точки (ВМТ) поршень сжимает горючую смесь. В бензиновом моторе она воспламеняется с помощью свечи зажигания в момент, близкий к максимальному давлению. В дизеле воспламенение происходит непосредственно из-за сильного сжатия.
Возросшее давление образующихся при сгорании газов толкает поршень в обратную сторону. Вместе с поршнем движется сочлененный с ним шатун, который и заставляет вращаться коленвал. Так энергия сжатых газов преобразуется во вращательный момент, передаваемый посредством трансмиссии на колеса автомобиля.
Требования к конструкции и материалам
Во время сгорания температура газов достигает 2 тысяч градусов. Так как горение носит взрывной характер, то поршень подвергается сильным ударным нагрузкам.
Чрезвычайная нагруженность и близкие к экстремальным условия работы предполагают особые требования к конструкции и используемым для его изготовления материалам.
При разработке поршней приходится учитывать несколько важных моментов:
- необходимость обеспечить длительный срок работы, а значит, максимально снизить износ детали;
- предотвратить прогар поршня в условиях функционирования в высокотемпературном режиме;
- обеспечить максимальное уплотнение для исключения прорыва газов;
- минимизировать потери, возникающие из-за трения;
- обеспечить эффективное охлаждение.
Материал для поршней должен обладать рядом специфических свойств:
- значительная прочность;
- максимально возможная теплопроводность;
- термостойкость и способность выдерживать резкие перепады температуры;
- коэффициент теплового расширения должен иметь небольшую величину и быть максимально близким к соответствующему коэффициенту у цилиндра, чтобы обеспечить хорошее уплотнение;
- антикоррозийная устойчивость;
- антифрикционные свойства;
- невысокая плотность, чтобы деталь не была слишком тяжелой.
Поскольку материал, идеально отвечающий всем этим требованиям, пока не создан, приходиться пользоваться компромиссными вариантами. Поршни для моторов изготавливают из серого чугуна и сплавов алюминия с кремнием (силумин). В составных поршнях для дизелей иногда делают головку из стали.
Чугун достаточно прочен и износоустойчив, хорошо переносит сильный нагрев, обладает антифрикционными свойствами и небольшим температурным расширением. Но из-за невысокой теплопроводности чугунный поршень способен нагреваться до 400°C. В бензиновом двигателе это неприемлемо, так как может вызвать калильное зажигание.
Поэтому в большинстве случаев поршни для автомобильных моторов изготавливают способом штамповки или литья из силумина, содержащего не менее 13% кремния. Чистый алюминий не годится, так как слишком сильно расширяется при нагревании, что приводит к повышенному трению и задирам. Такими могут быть подделки, на которые можно нарваться, приобретая запчасти в сомнительных местах. Чтобы этого не случилось, обращайтесь к надежным продавцам.
Поршень из алюминиевого сплава легкий и хорошо проводит тепло, благодаря чему нагрев его не превышает 250 °C. Это вполне годится для моторов, работающих на бензине. Антифрикционные свойства силумина также достаточно хорошие.
В то же время этот материал не лишен недостатков. С повышением температуры он становится менее прочным. А из-за значительного линейного расширения при нагреве приходится применять дополнительные меры, чтобы сохранить уплотнение по периметру головки и не снизить компрессию.
Устройство
Данная деталь имеет форму стакана и состоит из головки и направляющей части (юбки). В головке, в свою очередь, можно выделить днище и уплотняющую часть.
Днище
Является главной рабочей поверхностью поршня, именно оно воспринимает давление расширяющихся газов. Его поверхность определяется типом агрегата, размещением форсунок, свечей, клапанов и конкретным устройством ЦПГ. Для моторов, использующих бензин, она делается плоской либо вогнутой формы с дополнительными вырезами, позволяющими избежать повреждения клапанов. Выпуклое днище дает повышенную прочность, но увеличивает теплоотдачу, а потому применяется редко. Вогнутое позволяет организовать небольшую камеру сгорания и обеспечить высокую степень сжатия, что особенно актуально в дизельных агрегатах.
Уплотняющая часть
Это боковая сторона головки. В ней по окружности проделаны бороздки для поршневых колец.
Компрессионные кольца играют роль уплотнения, предотвращая утечку сжатых газов, а маслосъемные удаляют со стенки смазку, не давая ей попасть в камеру сгорания. Масло стекает под поршень сквозь отверстия в бороздке и далее возвращается в масляный картер.
Участок боковой стороны между краем днища и верхним кольцом называется огневым или жаровым поясом. Именно он испытывает максимальное термическое воздействие. Для исключения прогорания поршня этот пояс делается достаточно широким.
Направляющая часть
Не позволяет поршню перекоситься в ходе возвратно-поступательного движения.
С целью компенсации термического расширения юбка делается криволинейной или конусообразной. Сбоку обычно наносится антифрикционное покрытие.
Изнутри имеются бобышки — два наплыва с отверстиями под поршневой палец, на который надевается головка шатуна.
С боков в районе расположения бобышек делаются небольшие углубления, препятствующие термическим деформациям и возникновению задиров.
Охлаждение
Так как температурный режим работы поршня весьма напряженный, то вопрос его охлаждения очень важен.
Главный путь удаления тепла — поршневые кольца. Через них отводится не менее половины излишков тепловой энергии, которая передается стенке цилиндра и далее — рубашке охлаждения.
Другой важный канал теплоотвода — смазка. Используется масляный туман в цилиндре, поступление смазки через отверстие в шатуне, принудительное разбрызгивание масляной форсункой и иные способы. Посредством циркуляции масла может удаляться более одной трети тепла.
Кроме того, часть тепловой энергии уходит на нагрев свежей порции поступившей в цилиндр горючей смеси.
Поршневые кольца
Кольца поддерживают в цилиндрах нужную величину компрессии и отводят львиную долю тепла. А еще на них приходится около четверти всех потерь на трение в ДВС. Поэтому значение качества и состояния поршневых колец для стабильной работы двигателя трудно переоценить.
Обычно колец три — два компрессионных сверху и одно маслосъемное снизу. Но бывают варианты и с другим количеством колец — от двух до шести.
Канавка верхнего кольца в силуминовом поршне иногда делается со стальной вставкой, повышающей износоустойчивость.
Производят кольца из специальных марок чугуна. Такие кольца отличаются высокой прочностью, упругостью, износоустойчивостью, низким коэффициентом трения и сохраняют свои свойства на протяжении длительного времени. Дополнительную термостойкость поршневым кольцам придают добавки молибдена, вольфрама и некоторых других металлов.
Новые поршневые кольца нуждаются в притирке. Если вы заменили кольца, обязательно некоторое время обкатайте двигатель, избегая напряженных режимов работы. В противном случае не притертые кольца могут перегреться и потерять упругость, а в некоторых случаях даже сломаться. Итогом может стать нарушение уплотнения, потеря мощности, попадание смазки в камеру сгорания, перегрев и прогорание поршня.
